基于超級電容與燃料電池的雙向DC-DC電源設計

韓冬林，閆 婧，馮紅巖，翟曉晗

(天津中德應用技術大學，天津 300350)

基于超級電容儲能的雙向DC-DC 轉換器電源能夠快速充放電，且充放電循環壽命可達百萬次，因此在不間斷電源系統、電動汽車系統、太陽能及風能發電系統都有其適用場合[1-2]。經過近十年的持續研發，車用燃料電池在能量效率、功率密度、低溫啟動等方面已經取得了突破性進展，新一輪的燃料電池汽車產業化浪潮正在迫近[3]。車用燃料電池在加載的初始階段，其輸出電壓下降較快，隨著負載電流的繼續增加，輸出電壓的下降斜率也比普通蓄電池大得多[4]，考慮到燃料電池輸出特性較軟這一問題，利用超級電容快速充放電特性，設計一款應用于燃料電池汽車的基于超級電容的雙向DC-DC 轉換器不僅可以優化燃料電池特性，還可以延長其使用壽命[5]。LM5170-Q1是TI公司生產的一款新型的多相雙向電流控制器芯片，內部集成了電流檢測放大器、高電流柵極驅動器和系統保護功能模塊，為汽車48 和12 V 雙電池系統提供多相雙向電流轉換應用設計，在高壓和低壓端口之間調整平均電流流動，電流調整精度可達1%，滿足汽車AEC-Q100規范，主要用于汽車雙電池系統、超級電容或電池備份電源轉換器[6]。采用LM5170-Q1 多相雙向電流控制器，本文設計了一種基于超級電容與燃料電池的車用雙向DC-DC 電源，將燃料電池作為高壓端口，將超級電容作為低壓端口，通過優化燃料電池混合動力汽車電控系統軟硬件設計，能夠實現實時精確控制超級電容與燃料電池之間雙向電流分配的功能。

1 燃料電池混合動力汽車電控系統構成

由燃料電池與鋰離子動力電池組構成的混合動力汽車電控系統如圖1 所示，主要由燃料電池堆、單膜電壓檢測單元、燃料電池堆主控單元、升壓式DC-DC 轉換器、鋰離子動力電池組、鋰電池管理系統、整車電控單元ECU、牽引電動機及其驅動單元組成。

圖1 燃料電池混合動力汽車電控系統框圖

燃料電池發電原理與原電池類似，但與原電池和二次電池比較，需要具備一套相對復雜的管理系統，通常包括燃料供應、氧化劑供應、水熱管理及電控單元等子系統[7]。圖1 中的燃料電池堆主控單元通過A/D 轉換口采集燃料電池堆的傳感器信號，同時還通過數字I/O 口輸出控制信號，驅動燃料電池堆的執行器工作。燃料電池堆的傳感器信號主要包括氫氣瓶壓力、氫氣進出堆壓力、氫氣進出堆溫度、空氣進堆壓力、空氣進堆溫度、空氣進堆流量、冷卻液進堆壓力、冷卻液進出堆溫度、氫氣泄漏量PPM 值檢測，燃料電池堆的執行器信號主要包括氫氣瓶供氣電磁閥、氫氣進排氣電磁閥、空氣泵轉速控制器、冷卻液循環泵、內外循環散熱風扇等。圖1 中的單膜電壓檢測單元可以實時采集61 片膜電極單體的電壓信號C00～C61，燃料電池堆主控單元通過CAN1 通訊口完成與單膜電壓檢測單元的數據通訊，通過CAN2 通訊口完成與鋰電池管理系統和升壓式DC-DC 轉換器的數據通訊，通過CAN3 通訊口完成與整車電控單元ECU 和雙向DC-DC 電源的數據通訊。

本文設計的基于超級電容與燃料電池的雙向DC-DC 電源控制電路位于燃料電池堆電壓輸出端與升壓式DC-DC 轉換器輸入端之間，其功能是利用超級電容快速充放電特性，當車輛的牽引電機處于低功率輸出時，將燃料電池輸出的部分電能快速充電并儲存于超級電容模組中；當車輛的牽引電機處于高功率輸出時，將儲存于超級電容模組中的電能快速放電至升壓式DC-DC 轉換器輸入端，從而解決實際車用工況中因反復加減速引起的燃料電池膜電極電位循環及耐久性衰減的難題[8]，從而達到實時優化補償燃料電池輸出特性并延長其使用壽命的設計目的。

2 雙向DC-DC 電源控制電路硬件設計

采用LM5170-Q1 多相雙向電流控制器芯片的雙向DCDC 轉換器電路拓撲如圖2 所示。

圖2 LM5170-Q1雙向DC-DC轉換器電路拓撲

LM5170-Q1 的使能控制EN 信號、電流方向控制DIR 信號、電流設定值ISETD 信號均由MCU 芯片管腳輸出，LM5170-Q1 的電流檢測IMON 信號反饋給MCU 芯片的ADC轉換口，用來監測DC-DC 轉換器的實際電流值。當需要電流由高壓HV 側向低壓LV 側流動時，LM5170-Q1 工作在Buck模式，反之則工作在Boost 模式[6]。

本文設計的采用LM5170-Q1 多相雙向電流控制器芯片的雙向DC-DC 電源控制電路如圖3 所示。

圖3 LM5170-Q1雙向DC-DC 轉換器電路原理圖

LM5170-Q1 芯片內部集成了采用180 度交錯運行方式的2 相Buck-Boost 轉換器，單個芯片可以實現高達60 A 的雙向電流控制功能[6]，所以非常適用于燃料電池與超級電容組成的雙向DC-DC 電源系統。本設計采用Microchip 公司的高性能數字信號控制器PIC30F4011 芯片作為MCU，PIC30F4011的RB0、RB1、RB2、RB3 管腳作為模擬量轉換口,其中ADC1、ADC2 分別采樣LM5170-Q1 的2 相 電流檢測IOUT1、IOUT2信號，ADC3、ADC4 分別采樣高壓側HV 和低壓側LV 的2 路電壓值，PIC30F4011 的RB4、RB5、RB6、RB7 管腳作為數字輸出口，分別控制LM5170-Q1 的UVLO、EN1、EN2、DIR，PIC30F4011 的RE8 管腳作為中斷輸入口，監測LM5170-Q1 的故障報警FAULT 信號的電平變化，PIC30F4011 的RE0 管腳作為PWM 輸出口，通過改變PWM 的占空比來調整LM5170-Q1的電流設定值ISETD。LM5170-Q1 的電流設定值ISETD 信號PWM 最大占空比由公式(1)確定：

式中：IMAX為LM5170-Q1 的每相電流最大值；RS為每相電流采樣電阻值。本設計中IMAX為30 A，RS為1 mΩ，DUTYPWM最大值為52.8%。

3 雙向DC-DC 電源控制電路軟件設計

因為實際的車輛在不同工況下運行，負載變化頻繁，而燃料電池動態響應速度較慢，需要輔助動力源提供能量，抑制能量波動，才能使整車保持良好的動態性能[4]，所以在雙向DC-DC 電源控制程序設計中必須綜合考慮車輛牽引電機的功率需求與燃料電池堆允許輸出功率之間的動態平衡關系，爭取讓燃料電池膜電極單體電壓能夠運行在0.6～0.9 V 的最佳工作區之內，同時又能最大限度地保證車輛的動態性能。本文設計的雙向DC-DC 電源控制電路軟件流程如圖4 所示。

圖4 雙向DC-DC轉換器軟件流程

圖4 中：UHV、ULV分別為高壓端口燃料電池及低壓端口超級電容模組的實時電壓值；IH、IL分別為燃料電池堆當前允許輸出電流的上限值及下限值，燃料電池堆主控單元根據氫氣進出堆壓力、空氣進堆壓力、空氣進堆流量、冷卻液進出堆溫度等傳感器的數據實時計算燃料電池堆允許輸出電流的上限值及下限值；IT為升壓式DC-DC 的當前輸出電流值；ULV_MIN、ULV_MAX分別為超級電容模組的最小放電電壓值及最大充電電壓值。

4 結論

本文設計了基于超級電容與燃料電池的雙向DC-DC 電源，其控制電路采用新型的多相雙向電流控制器LM5170-Q1，充分利用了該芯片內部集成的電流檢測放大器、高電流柵極驅動器等功能模塊，通過優化控制電路的軟硬件設計，實現了根據車輛牽引電機的功率需求實時計算并控制燃料電池功率輸出與超級電容模組充放電之間動態平衡的設計目標。